中國儲能網(wǎng)訊：安全是光伏電站的命脈，也是取得投資回報(bào)的根基所在，對光伏電站意義重大。本文通過分析對比傳統(tǒng)集中式與組串式兩種不同的電站解決方案，揭示組串式智能光伏電站由“被動安全”向“主動安全”轉(zhuǎn)變的優(yōu)勢所在。筆者查閱德國“Mannheimer Versicherung保險(xiǎn)公司”在光伏領(lǐng)域的實(shí)際業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：光伏電站中火災(zāi)事故以32%的賠償金額占比排名第一，雷擊過電壓事故以30%的賠償金額占比緊隨其后。但是火災(zāi)事故數(shù)量僅占比2%，排名最后，這也表明了火災(zāi)事故造成的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它事故。實(shí)際上，光伏電站并非洪水猛獸，和家用電力體系一樣，都是存在一定風(fēng)險(xiǎn)但可以通過各種防護(hù)措施將事故發(fā)生率降至無限趨近于零的。業(yè)內(nèi)人士建議針對光伏電站安全“痛點(diǎn)”進(jìn)行有針對的解決問題，從根源上避免隱患，將不知何時(shí)就會引爆的“不定時(shí)炸彈”徹底清理出去。這就是所謂的從被動安全到主動安全的轉(zhuǎn)變。
“燒焦”的蘋果：損失的不只是光伏電站
近日，近日，蘋果公司一直引以為傲的位于亞利桑那Mesa的數(shù)據(jù)中心工廠屋頂突然起火，現(xiàn)場濃煙四起。據(jù)媒體報(bào)道，蘋果公司電站的起火點(diǎn)似乎是裝貨碼頭倉庫對面大樓的屋頂光伏組件。據(jù)了解，Mesa消防局共出動了100多名消防員，花了約35分鐘撲滅大火。
許多電站業(yè)主在震驚之余，也對光伏電站的安全性的提起了重視。在霧霾成為人們“心肺之患”的今天，變革傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展太陽能等清潔能源的呼聲愈發(fā)迫切，近幾年我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，現(xiàn)今國內(nèi)光伏累計(jì)裝機(jī)容量已超過28GW，并以每年大于10GW的速度增長，光伏電站建設(shè)迎來了前所未有的投資機(jī)遇，但安全問題卻成為光伏行業(yè)發(fā)展的一大阻礙，事故發(fā)生后，即使是在尚未弄清事故原因的情況下，蘋果股價(jià)依然大受影響。
多位分析人士指出，此次火勢似乎不輕，現(xiàn)場可能沒有安裝煙感或溫感傳感器，要么是安裝了卻失靈。另外，也有人認(rèn)為是監(jiān)控系統(tǒng)未能實(shí)現(xiàn)組件級、甚至組串級監(jiān)控，因?yàn)槿绻O(jiān)控系統(tǒng)可準(zhǔn)確捕捉的話，那么把火災(zāi)消滅在發(fā)展階段并不難。此次蘋果光伏電站起火的事故，給廣大電站業(yè)主、EPC敲響了警鐘。
火災(zāi)之痛：3%事故率占賠償金額32%
隨著光伏電站建設(shè)規(guī)模逐步擴(kuò)大，如何提高電站的安全性，如何將各種安全隱患防范于未然，也已成為電站業(yè)主們首要考慮的問題。筆者查閱德國“Mannheimer Versicherung保險(xiǎn)公司”在光伏領(lǐng)域的實(shí)際業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：光伏電站中火災(zāi)事故以32%的賠償金額占比排名第一，雷擊過電壓事故以30%的賠償金額占比緊隨其后。但是火災(zāi)事故數(shù)量僅占比2%，排名最后，這也表明了火災(zāi)事故造成的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它事故。光伏電站的各類事故不僅給業(yè)主造成了巨大的經(jīng)濟(jì)效益損失，也給光伏行業(yè)的發(fā)展帶來極大的負(fù)面影響，阻礙了投資者進(jìn)入光伏行業(yè)的步伐。
圖1 光伏電站事故數(shù)量及賠償評估
安全是電站的第一生產(chǎn)力，電站的首要任務(wù)是安全可靠，不能對財(cái)產(chǎn)和人身安全造成威脅這是電站運(yùn)營最基本的訴求，片面追求低成本，在我國西部大批“金太陽”項(xiàng)目中造成的損失已不言而喻，隨著時(shí)間的推移，因“低成本”而伴生的光伏電站質(zhì)量問題也將會越來越突顯。
隱患的背后不禁讓筆者聯(lián)想起兩年前曾走訪青海格爾木某光伏電站時(shí)該電站投資人的擔(dān)憂。彼時(shí)，當(dāng)筆者問到為什么該電站不能投入運(yùn)營，他說：“如果投運(yùn)，很有可能跟對面的某電站一樣，會產(chǎn)生自燃。除了趕工期所導(dǎo)致的調(diào)試工作沒有做到位以外，更多的則是并網(wǎng)設(shè)備的質(zhì)量造成的”。該負(fù)責(zé)人所提到的并網(wǎng)設(shè)備就是指逆變器?！半m然大多數(shù)問題集中在升壓和強(qiáng)電部分，但不少問題都跟逆變器相關(guān)，比如輸出電壓等級是否符合國網(wǎng)要求、是否具備低電壓穿越保護(hù)等。也正是因此，逆變器的質(zhì)量問題比較突出?！?
逆變器的問題主要集中在標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范是否按照國網(wǎng)的要求去做，也多與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺失有關(guān)，比如逆變器電壓輸出幅度太寬，700V進(jìn)直流，200V交流出，缺少相關(guān)規(guī)范和要求，也讓設(shè)備企業(yè)無所適從。目前各逆變器廠家技術(shù)路線不同、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同，又缺乏橫向技術(shù)交流，國內(nèi)對于35KV以下的串并結(jié)構(gòu)以及電氣配套設(shè)備又都是非標(biāo)準(zhǔn)化的，因此出現(xiàn)問題很正常。當(dāng)然，這些給業(yè)主帶來的損失以及影響也是非常嚴(yán)重的。
從“被動”到主動：光伏電站安全性的進(jìn)化
針對國內(nèi)光伏電站出現(xiàn)的一系列安全事故，筆者曾在多個(gè)場合與技術(shù)專家作了較為深入的了解。在筆者走訪多個(gè)電站得到最多的答案是“建站方案的設(shè)計(jì)先天不足”，而具體到安全原則則是只能對事故節(jié)點(diǎn)采取“被動”保護(hù)，而幾乎不全方面考慮光伏電站安全性。比如我們采用的熔絲方案、監(jiān)控手段都是被動的進(jìn)行安全保護(hù)，只有電站出問題了，才會發(fā)現(xiàn)故障告警，甚至因?yàn)椴荒芗皶r(shí)發(fā)現(xiàn)故障而造成上文提到的嚴(yán)重事故。
實(shí)際上，光伏電站并非洪水猛獸，和家用電力體系一樣，都是存在一定風(fēng)險(xiǎn)但可以通過各種防護(hù)措施將事故發(fā)生率降至無限趨近于零的。業(yè)內(nèi)人士建議針對光伏電站安全“痛點(diǎn)”進(jìn)行有針對的解決問題，從根源上避免隱患，將不知何時(shí)就會引爆的“不定時(shí)炸彈”徹底清理出去。這就是所謂的從被動安全到主動安全的轉(zhuǎn)變。
目前國內(nèi)主流的組串式智能光伏解決方案中，在規(guī)模使用的大型地面項(xiàng)目中，很好的實(shí)現(xiàn)了這點(diǎn)。那么何為主動安全？筆者經(jīng)過總結(jié)，概況了光伏電站事故多發(fā)的“被動”原因以及“主動”修改方案：
1、直流拉弧可能引發(fā)火災(zāi)并難以撲滅，改為變直流為交流，主動減少高風(fēng)險(xiǎn)的高壓直流系統(tǒng)；
2、熔絲維護(hù)困難，增加安全隱患，改為有熔絲到無熔絲的設(shè)計(jì)；
3、PID效應(yīng)可能造成電擊，引起上網(wǎng)，采用專利PID技術(shù)方案，主動解決人身安全隱患；
4、智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以高精度的組串級監(jiān)控，主動識別風(fēng)險(xiǎn)，防患于未然。
變直流為交流，主動減少高風(fēng)險(xiǎn)的高壓直流系統(tǒng)
為了更好的理解變直流為交流，首先來了解一下兩種電站方案的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)集中式電站包含直流匯流箱、直流配電柜、逆變器等三個(gè)高壓直流設(shè)備，而智能光伏電站只有逆變器一個(gè)直流設(shè)備，大大減少了高風(fēng)險(xiǎn)的高壓直流系統(tǒng)，代之以安全的低壓交流系統(tǒng)。更重要的是縮短了直流線纜傳輸距離，大幅降低了因直流故障造成的隱患。
圖2 傳統(tǒng)集中式電站和智能光伏電站對比
據(jù)統(tǒng)計(jì)，光伏電站中的火災(zāi)事故80%以上是由直流側(cè)故障引起。對于傳統(tǒng)集中式電站，發(fā)生火災(zāi)的原因主要有以下幾點(diǎn)：1）直流拉??；2）短路故障時(shí)，熔絲或斷路器不能及時(shí)斷開；3）大量的設(shè)計(jì)缺陷、劣質(zhì)物料及現(xiàn)場施工；4）故障相互影響，引起連環(huán)反應(yīng)，匯流箱故障可能導(dǎo)致直流柜燒毀、直流柜故障可能導(dǎo)致逆變器燒毀。
拉弧是起火的重大風(fēng)險(xiǎn)來源，交流拉弧能夠在過零點(diǎn)處熄滅，而直流拉弧則必須一直燃燒出足夠的間距才能夠熄滅，因此直流拉弧引發(fā)的火災(zāi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于交流。傳統(tǒng)集中式電站因有直流匯流箱和直流配電柜，直流傳輸距離長，節(jié)點(diǎn)多，不可避免地增大了直流拉弧的概率。在屋頂電站和山地電站場景中，直流拉弧問題尤為突出，由于存在大量的草木等易燃物，一旦著火，損失將不可估量。
交流系統(tǒng)短路故障的保護(hù)相對很完善，交流故障由電網(wǎng)提供短路能量，一旦故障能保證足夠的能量使斷路器脫扣。
圖3 直流拉弧引起的燒毀事故
圖4 山地電站起火事故
另外，電站現(xiàn)場施工環(huán)節(jié)較多，施工質(zhì)量難以管控，壓線不良也是引起燒毀的一個(gè)重要原因。
圖5 直流匯流箱接線端子燒毀現(xiàn)象
在直流傳輸環(huán)節(jié)中增加熔絲、斷路器等保護(hù)器件只能是“被動”地進(jìn)行保護(hù)，且存在大量的風(fēng)險(xiǎn)隱患。而降低直流傳輸環(huán)節(jié)和距離，減少事故發(fā)生節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)“主動”安全。直流的安全傳輸與防護(hù)是重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。智能光伏電站采用無直流匯流設(shè)計(jì)，省掉直流匯流箱、直流配電柜等直流匯流環(huán)節(jié)，組串輸出直接進(jìn)入逆變器逆變?yōu)榻涣麟娺M(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，主動規(guī)避直流傳輸帶來的安全問題，降低直流拉弧帶來的安全隱患，使電站更加安全。
從有熔絲到無熔絲設(shè)計(jì)
集中式1MW需要使用熔絲400個(gè)，每個(gè)熔絲與熔絲盒夾片之間有2個(gè)接觸點(diǎn)，每個(gè)熔絲盒與接線有2個(gè)接觸點(diǎn)。所以每個(gè)熔絲將有4個(gè)接觸點(diǎn)，集中式因使用了熔絲就有1600個(gè)直流節(jié)點(diǎn)。熔絲盒對線纜可靠安裝要求高，現(xiàn)場實(shí)際不容易做到，經(jīng)常出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象，引起燒毀或者直流拉弧，是匯流箱著火的主要原因。
組串如有短路或嚴(yán)重遮擋，所有并聯(lián)組串均會反灌電流，并聯(lián)數(shù)量越多電流越大，所以需要“被動”地使用熔絲進(jìn)行保護(hù)。由于直流保護(hù)能量來自于組件，一旦輻照不夠，雖然短路但也不能使熔絲熔斷，時(shí)間一長導(dǎo)致發(fā)熱起火。另外，熔絲是一種需要定期巡檢維護(hù)的產(chǎn)品，當(dāng)其“超齡服役”，保護(hù)效果會大打折扣，在熔斷時(shí)可能產(chǎn)生噴弧，致使周圍的塑料著火。根據(jù)熔絲失效率統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，熔絲的失效率符合隨工作年數(shù)逐年上升的趨勢，5年以后失效率超過15%。熔絲的高失效率，不僅造成了高額的發(fā)電量損失，也為電站安全增加了運(yùn)維難度。
組串式智能光伏逆變器采用2串組件并聯(lián)，即使有一串發(fā)生短路故障，反灌電流最大也不會超過10A，均在直流線纜和光伏組件承受范圍以內(nèi)（42mm直流電纜載流能力大于30A，組件耐受反灌電流15A），安全性較高。這種無熔絲的組串設(shè)計(jì)方案，不僅從源頭解決了組件和線纜的保護(hù)問題，而且徹底根除了因使用熔絲帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)和失效損失
專利PID技術(shù)方案，主動解決人身安全隱患
當(dāng)前，PID效應(yīng)導(dǎo)致的組件功率衰減問題越來越嚴(yán)重。傳統(tǒng)集中式電站為防止PID問題，輸入PV-通過熔絲接地。這樣PV+與PE之間會形成高壓，若不小心觸碰電池板正極，會導(dǎo)致人員被電擊，嚴(yán)重的將造成傷亡事故，且無法通過附加裝置避免。同時(shí)電池板正極或組串間電纜產(chǎn)生接地故障，會通過地線產(chǎn)生故障電流或產(chǎn)生電弧放電，存在著火隱患。
特別在一些特殊場景，比如漁光互補(bǔ)的電站，經(jīng)常會有非專業(yè)人員進(jìn)行勞作，安全問題成為該類型電站首要的考慮因素。該類電站環(huán)境濕度大，鹽霧高腐蝕，組件的PID衰減嚴(yán)重，為了保證收益，必須進(jìn)行PID防護(hù)。同時(shí)在這種高濕的情況下電池支架和組件漏電的可能性大大增強(qiáng)，人在坐在船上或站在潮濕的地面上對地阻抗很小，若維護(hù)人員不小心觸碰到漏電部位，就會直接造成人員電擊傷亡事故。
圖6 農(nóng)漁光互補(bǔ)光伏電站
而組串式智能光伏電站，通過在系統(tǒng)中設(shè)置虛擬正壓電路，實(shí)現(xiàn)所有電池板負(fù)極對地正電壓，安全規(guī)避PID效應(yīng)。同時(shí)智能殘余電流檢測RCD及電路切斷，主動防止觸電并隔離實(shí)現(xiàn)了保護(hù)人身安全。
智能管理系統(tǒng)，高精度組串監(jiān)控，主動識別風(fēng)險(xiǎn)防患于未然
基于組串的智能光伏電站對輸入的每一路組串進(jìn)行獨(dú)立的電壓電流檢測，檢測精度是傳統(tǒng)智能匯流箱方案的10倍以上，為準(zhǔn)確定位組串故障，提高運(yùn)維效率奠定了基礎(chǔ)。通過將智能逆變器作為高精度傳感器，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化監(jiān)控管理，主動識別風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)主動將組串級的監(jiān)控信息上傳管理系統(tǒng)，方便運(yùn)維人員快速定位故障信息，無需運(yùn)維人員巡檢，實(shí)現(xiàn)高效快速安全的光伏電站管理。同時(shí)智能光伏解決方案簡化了通訊方式，可采用PLC通訊、無線4G傳輸，實(shí)現(xiàn)電站通訊的簡潔可靠，相比傳統(tǒng)的RS485和光纖通信，使傳輸更安全。智能光伏解決方案將電站信息存儲在遠(yuǎn)程服務(wù)器端，并設(shè)有多層權(quán)限管理，以保障信息存儲安全。
另外組串式智能光伏解決方案無需逆變器房，減少對植被及土壤等環(huán)境破壞，土建設(shè)施減少，施工安全系數(shù)增加；電磁輻射小，保護(hù)人體健康；需維護(hù)的設(shè)備減少，故障點(diǎn)也更少。智能光伏電站實(shí)現(xiàn)了人與環(huán)境的和諧共處，大大增加了光伏電站的適用范圍，為光伏入戶創(chuàng)造了條件。
光伏電站的安全問題已上升為中國能源戰(zhàn)略的大問題。去年8月份，在大型光伏電站高效可靠運(yùn)營與發(fā)電增效研討會上，國家發(fā)改委能源研究所研究員王斯成就表示，在走訪西部大量電站后發(fā)現(xiàn)，很多電站在運(yùn)行一段時(shí)間后存在著大量問題。而電站質(zhì)量直接影響到電站的收益，這也是為什么目前銀行對投資電站有顧慮的重要原因。然而目前電站開發(fā)商對這一問題卻沒有足夠重視。
隨著國內(nèi)光伏電站配額的大幅增加和建設(shè)周期的逐漸縮短，很多電站的建設(shè)速度也相應(yīng)加快，加之某些地方備案手續(xù)的嚴(yán)重滯后，由光伏電站事故所引起的財(cái)產(chǎn)損失，已成為一個(gè)不容忽視的戰(zhàn)略性問題，光伏電站，尤其是地面大型電站的運(yùn)行安全更顯得非常重要。而傳統(tǒng)的被動安全已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能避免電站的事故發(fā)生，因此從建站、施工、運(yùn)維、管理到產(chǎn)品的主動安全的概念慢慢的形成并不斷的完善。且由“被動安全”到“主動安全”的過程中，將能為光伏電站的25年使用壽命提供堅(jiān)實(shí)的保障。
